WO2006120145A1 - Flüssigkeit zur verdichtung eines gasförmigen mediums und verwendung derselben - Google Patents

Flüssigkeit zur verdichtung eines gasförmigen mediums und verwendung derselben Download PDF

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WO2006120145A1
WO2006120145A1 PCT/EP2006/062009 EP2006062009W WO2006120145A1 WO 2006120145 A1 WO2006120145 A1 WO 2006120145A1 EP 2006062009 W EP2006062009 W EP 2006062009W WO 2006120145 A1 WO2006120145 A1 WO 2006120145A1
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liquid according
liquid
ionic
gaseous medium
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PCT/EP2006/062009
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Michael Kotschan
Roland Kalb
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Linde Ag
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    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D233/00—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings
    • C07D233/54—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having two double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C211/00—Compounds containing amino groups bound to a carbon skeleton
    • C07C211/62—Quaternary ammonium compounds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F1/00—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped
    • F04F1/06—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium acting on the surface of the liquid to be pumped
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2020/00—Specified physical or chemical properties or characteristics, i.e. function, of component of lubricating compositions
    • C10N2020/01—Physico-chemical properties
    • C10N2020/077—Ionic Liquids

Definitions

  • the invention relates to a liquid for compressing a gaseous medium, which transfers the force required for compression directly to the gas.
  • Piston compressors In known methods and devices for compressing a gaseous medium, piston compressors or piston compressor systems are currently used in the usual way. Piston compressors require corresponding sealing systems in order to separate the medium to be compressed from the medium which drives the piston, for example hydraulic oil.
  • German patent application with the official file reference 102004046316.6 are a method and an apparatus for
  • the invention is based on the object to provide a liquid for the compression of a gaseous medium, which is particularly suitable as a resource for transmitting the force necessary for compaction directly to the gas.
  • the liquid for the compression of the gaseous medium should also be suitable for use in conventional compressors and compressors.
  • the liquid has a vapor pressure less than 10 ⁇ 3 mbar.
  • the liquid has a vapor pressure less than 1 (T 6 mbar, in particular even smaller 10 ⁇ 9 mbar, on.
  • a liquid having such a low vapor pressure is particularly suitable for being used as a "liquid compressor piston" because it prevents evaporation of the liquid into the gas to be compressed by vaporization, and with the low vapor pressure is advantageously low in flammability and low in compressibility and a good conductivity connected.
  • liquids for the compression of the gaseous medium which are thermally stable in the pressure range of the compression process and which have no or only a very low solubility for the respective gaseous medium.
  • liquids which are ionic compounds or mixtures of several ionic compounds of the general formula [Q + J n [Z 0 ]
  • ionic compounds have those properties - thermal stability in the temperature and pressure range of compression no or a low solubility for the gaseous medium - which predestine them for the compression of gaseous media.
  • WO 2005/021484 A2 deals with a process for the preparation of ionic liquids, ionic solids or mixtures thereof.
  • the ionic compounds which can be used in the context of the present invention can be prepared efficiently and inexpensively by the processes described in this document.
  • [Z "] may be an anion which forms with [Q + ] an ionic compound suitable for compressing a gaseous medium.
  • the [Z ""] can be one of the following anions: tetrafluoroborate, [BF 4", hexafluorophosphate [PF f H, bis- (trifluoromethylsulfonyl) imide [(CF 3 SO 2) 2 N ⁇ , tris (trifluoromethylsulfonyl!
  • ionic compounds the following are particularly suitable, also in combination with one another: 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate (CAS 342573-75-5) or 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate (CAS 401788-98-5) or 1 Ethyl 3-methylimidazolium thiocyanate (CAS 331717-63-6) or 1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate (CAS 344790-87-0) or methyltributylammonium dibutyl phosphate.
  • a low vapor pressure in the order of 10 ⁇ 1 to 10 ⁇ 10 mbar also have certain molecular liquids. From the class of these liquids is particularly suitable a perfluoropolyether, a polyphenyl ether or polyphenyl thioether, silicone oil, mineral oil, synthetic oil or a mixture of at least two of these substances.
  • liquids which are a mixture of at least one ionic compound with at least one molecular liquid.
  • the substance or the liquid ionic or molecular additives such as anti-corrosion additives, antioxidants, antioxidants, pH buffering agents and / or acid scavengers, complexing agents, Emulsifiers, dispersants, detergents, anti-wear additives, extreme pressure additives, friction modifiers, viscosity modifiers, gelling agents, sealants, preservatives, pour point additives, foam inhibitors, radical scavengers and water regulators.
  • the liquid is an emulsion
  • the liquid may be liquid-crystalline or a mixture of a micro- to nanocrystalline solid having at least one ionic and / or at least one molecular liquid. In some of their characteristics, such liquids behave more like Solids, which makes them particularly suitable for use in compressing gaseous media.
  • Liquids proposed according to the invention are preferably used in a compressor or compressor system for compressing a gaseous medium.
  • the liquid with the gaseous medium to be compressed can form the phase boundary surface directly or a membrane can be introduced at the phase interface to the gas to be compressed.
  • the liquid used is advantageously also suitable for use as a means for operating valves, measuring, regulating and control units, cooling systems, moving mechanical parts or seals of the compressor or compressor system ,
  • the liquid used may also be liquid under the prevailing or intended operating conditions, but present in solid state prior to start-up of the compressor or compressor. In this way, a pre-commissioning of the compressor or compressor in the solid state state present ionic solid can be used.
  • Ionic liquids are - in the sense of recognized literature (eg Wasserscheid, Peter, Welton, Tom (Eds.), “Lonic Liquids in Synthesis”, published by Wiley-VCH 2003, ISBN 3-527-30515-7; Robin D., Seddon, Kenneth R. (Eds.); “Lonic Liquids - Industrial Applications to Green Chemistry", ACS Symposium Series 818, 2002; ISBN 0841237891 ”) - liquid organic salts or salt mixtures consisting of organic cations and organic or inorganic Anions, with melting points below 100 0 C.
  • Ionic solids In this application, the term "ionic solids" includes salts in the sense of the ionic liquids, with melting points of 100 ° C. and higher In addition to this melting point range defined by definition and the associated physical state, there is no fundamental chemical or physical difference to ionic liquids ,
  • Ionic compounds Are all ionic liquids and ionic solids in the sense of the above definitions.
  • Molecular fluids Unlike conventional ionic compounds, they are conventional, molecular-based fluids; they are therefore not composed of ions, so no salts.
  • Ionic compounds - compounds that are ionic liquids or ionic solids - have extremely interesting properties, such as very low to near-impassable vapor pressure, a very large liquidus range, good electrical conductivity, and unusual solvation properties. These properties predestine them for use in various areas of technical applications. For example, they can be used as solvents (in organic and inorganic synthesis in general, in transition metal catalysis, in biocatalysis, in phase transfer catalysis, in multiphase reactions, in photochemistry, in polymer synthesis, and in nanotechnology), as extractants (in the liquid-liquid and liquid-gaseous extraction in general, the desulphurisation of crude oil, the removal of heavy metals from waste water, the
  • Liquid membrane extraction as electrolytes (in batteries, fuel cells, capacitors, solar cells, sensors, in electrochromics, electroplating, in electrochemical metalworking, in electrochemical synthesis in general, in electro-organic synthesis, nanotechnology), as lubricants, as thermal fluids , as gels, as reagents to the organic
  • the ionic compounds which are particularly suitable for the purposes of the invention include low-melting organic salts consisting of organic cations and organic or inorganic anions of the general formula [Q + J n [Z 0 ],
  • cation in question [Q + ] is a quaternized or protonated ammonium [R 1 R 2 R 3 R 4 N + ], phosphonium [R 1 R 2 R 3 R 4 P + ] or sulfonium [R 1 R 2 R 3 S + ] cation or an analogous quaternized or protonated nitrogen, phosphorus or sulfur heteroaromatic (see Figure 1), - where the radicals R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are all the same, in part identical or different can.
  • radicals R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be protons (hydrogen atoms), linear, cyclic, branched, saturated or unsaturated alkyl radicals, mono- or polycyclic aromatic or heteroaromatic radicals or derivatives of these radicals substituted with further functional groups, where R 1 , R 2 , R 3 , R 4 may also be interconnected
  • [Z "-] may also be an anion protonated with m hydrogen atoms [H m Z (rwif1) ⁇
  • phosphate [PO 4 3 ⁇ these would be, for example, the dihydrogen phosphate [H 2 PO 4 " ! and the hydrogen phosphate [HPO 4 2 " !).
  • [Z" ⁇ may be an anion which, with [Q + ], forms an ionic compound suitable for compressing a gaseous medium.
  • Ionic compounds are particularly suitable as a medium or liquid for the compression of a gaseous medium, in particular because of their extremely low to non-measurable vapor pressure.
  • a low vapor pressure is understood to mean a vapor pressure of less than 1 (T 3 mbar, in particular less than 1 (T 6 or even less than 10 9 mbar)
  • the extremely low vapor pressure is associated with a very low flammability and a low compressibility
  • Another beneficial property of ionic compounds is their low propensity to electrostatic charge, which also potentially ignites flammable gases
  • gases, such as hydrogen and carbon monoxide have very low solubility in many ionic compounds, minimizing any foaming and compression losses, and also providing good chemical and physical adaptability Properties of ionic compounds by appropriate variation of the structure of cations and anions and their combination, in the achievable high stability to thermal loads and chemical influences. High decomposition temperatures are achievable and good redox stability.
  • Some ionic liquids show liquid-crystalline properties and behave in some of their characteristics more like solids than liquids, which makes them particularly suitable for use as "liquid compressor pistons".
  • the low vapor pressure ionic liquids which are particularly suitable in the context of the invention for compressing a gaseous medium include: 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate (CAS 342573-75-5) or 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate (CAS 401788-98 -5) or 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate (CAS 331717-63-6) or 1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate (CAS 344790-87-0) or methyltributylammonium dibutylphosphate. Also Mixtures of at least two of these substances can be used advantageously.
  • ionic liquids in particular molecular liquids
  • other liquids are suitable for the compression of gaseous media, which likewise have a small, but in comparison to most ionic compounds slightly higher vapor pressure.
  • molecular liquids for example, are particularly suitable: perfluoropolyether (eg Fombline ® / Solvay Solexis Inc..) Or polyphenylene ether or polyphenylene thioether or a silicone oil (eg, a tetramethyltetraphenyltrisiloxane AN140 / (eg Santovac ® / Fa Monsanto Co.).
  • the ionic compounds and the molecular liquids may additionally be mixed with ionic and / or molecular additives to meet other requirements, such as corrosion properties, sealing properties, viscosity, tribological behavior, chemical and physical stability, compatibility with engineering materials, e.g. Metals and elastomers, to optimize.
  • ionic and / or molecular additives to meet other requirements, such as corrosion properties, sealing properties, viscosity, tribological behavior, chemical and physical stability, compatibility with engineering materials, e.g. Metals and elastomers, to optimize.
  • at least one of the following additives is suitable: corrosion protection additives, oxidation protection
  • Liquids usable according to the invention may also be mixtures of at least one ionic compound with at least one molecular liquid.
  • the liquid may be an emulsion or liquid-crystalline or a mixture of a micro- to nanocrystalline solid having at least one ionic and / or at least one molecular liquid.
  • the liquids covered by the invention can also take on additional tasks in a compressor or compressor system in addition to the compression of the gaseous medium: they can be used in all component groups and components belonging to the compressor system, such as e.g. Valves, measuring and control units, cooling systems, moving mechanical parts, e.g. Storage and sealing systems (incomplete enumeration) are used simultaneously as a resource.
  • a compressor or compressor system in addition to the compression of the gaseous medium: they can be used in all component groups and components belonging to the compressor system, such as e.g. Valves, measuring and control units, cooling systems, moving mechanical parts, e.g. Storage and sealing systems (incomplete enumeration) are used simultaneously as a resource.
  • certain liquids which can be used in the context of the invention can optionally remove solid, liquid or gaseous impurities present in the gas to be compressed, such as, for example, water, oxygen, solvent residues.
  • the liquid according to the invention used in a compressor or compressor system can directly form the phase boundary surface with the gaseous medium to be compressed, alternatively a membrane can be introduced at the phase interface to the gas to be compressed.
  • the ionic compound Prior to use as a densifying agent, the ionic compound may also be an ionic solid which is then liquid at the typical temperature range of use.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeit zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums, welche die zur Verdichtung notwendige Kraft direkt auf das Gas überträgt. Die Flüssigkeit weist einen Dampfdruck kleiner 10-3 mbar auf.

Description

FLÜSSIGKEIT ZUR VERDICHTUNG EINES GASFÖRMIGEN MEDIUMS UND
VERWENDUNG DERSELBEN
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeit zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums, welche die zur Verdichtung erforderliche Kraft direkt auf das Gas überträgt.
Bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Verdichten eines gasförmigen Mediums kommen gegenwärtig üblicher Weise Kolbenverdichter bzw. Kolbenverdichtersysteme zur Anwendung. Kolbenverdichter benötigen entsprechende Abdichtungssysteme, um das zu verdichtende Medium von dem den Kolben antreibenden Medium, beispielsweise Hydrauliköl, zu trennen.
Beispielsweise bei der Verdichtung von Wasserstoff, Erdgas und hoch reinen Medien sind passgenaue Zylinder mit Kolben und entsprechend wirksame dynamische Dichtsysteme erforderlich, die üblicher weise hohe Produktions- sowie Wartungskosten verursachen.
In einer noch nicht veröffentlichen deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 102004046316.6 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Verdichten eines gasförmigen Mediums beschrieben, bei welchem die Verdichtung des gasförmigen Mediums durch eine Flüssigkeit erfolgt, in welcher sich das gasförmige Medium nicht löst und / oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Flüssigkeit zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums bereitzustellen, welche als Betriebsmittel, zur Übertragung der zur Verdichtung notwendigen Kraft direkt auf das Gas besonders geeignet ist. Darüber hinaus soll die Flüssigkeit zur Verdichtung des gasförmigen Mediums auch dafür geeignet sein, in konventionellen Verdichtern und Kompressoren eingesetzt werden zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Flüssigkeit einen Dampfdruck kleiner 10~3 mbar aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Flüssigkeit einen Dampfdruck kleiner 1(T6 mbar, insbesondere sogar kleiner 10~9 mbar, auf.
Eine Flüssigkeit mit einem derart niedrigen Dampfdruck ist besonders dafür geeignet, als „flüssiger Verdichterkolben" eingesetzt zu werden, da ein Verschleppen der Flüssigkeit in das zu verdichtende Gas durch Verdampfen vermieden ist. Mit dem niedrigen Dampfdruck sind vorteilhafter Weise eine geringe Entflammbarkeit, eine geringe Kompressibilität und eine gute Leitfähigkeit verbunden.
Im Rahmen der Erfindung eignen sich besonders solche Flüssigkeiten zur Verdichtung des gasförmigen Mediums, die im Druckbereich des Verdichtungsvorganges thermisch stabil sind und welche keine oder nur eine sehr geringe Löslichkeit für das jeweilige gasförmige Medium aufweisen.
Eine besondere Eignung besitzen Flüssigkeiten, die ionische Verbindungen oder Gemische mehrerer ionischer Verbindungen der allgemeinen Formel [Q+Jn[Z0^ sind,
- wobei das betreffende Kation [Q+] ein quaterniertes oder protoniertes
Ammonium- [R1R2R3R4N+], Phosphonium- [R1R2R3R4P+] oder Sulfonium- [R1R2R3S+] Kation oder ein analoger quatemierter oder protonierter Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefel-Heteroaromat ist, wobei die Reste R1,R2,R3,R4 alle gleich, zum Teil gleich oder unterschiedlich sind, wobei die Reste R1, R2, R3 und R4 Protonen (Wasserstoffatome), lineare, cyclische, verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Alkylreste, mono- oder polycyclische aromatische oder heteroaromatische Reste oder mit weiteren funktionellen Gruppen substituierte Derivate dieser Reste sind, wobei R1,R2,R3,R4 auch untereinander verbunden sein können (mehrbindiger
Rest), wobei [Zn^ ein Anion mit der negativen Ladungszahl n~ ist oder auch ein mit m Wasserstoffatomen protoniertes Anion [HmZ(n~m)^ ist.
Gerade diese ionischen Verbindungen weisen jene Eigenschaften auf - thermische Stabilität im Temperatur- und Druckbereich der Verdichtung keine bzw. eine geringe Löslichkeit für das gasförmige Medium - die sie zur Verdichtung von gasförmigen Medien prädestinieren.
In diesem Zusammenhang wird auf die WO 2005/021484 A2 verwiesen, welche sich mit einem Verfahren zur Herstellung ionischer Flüssigkeiten, ionischer Feststoffe oder Gemische derselben befasst. Die im Rahmen der gegenständlichen Erfindung einsetzbaren ionischen Verbindungen lassen sich mit den in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren effizient und kostengünstig herstellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann [Z"^ ein Anion sein, welches mit [Q+] eine zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums geeignete ionische Verbindung bildet.
Alternativ dazu kann das [Z"""] eines der folgenden Anionen sein: Tetrafluoroborat [BF4 "!, Hexafluorophosphat [PFfH, Bis-(trifluormethylsulfonyl)imid [(CF3SO2)2N^, Tris-(trifluormethylsulfonyl)methid [(CF3SO2)3C"1, Trifluormethansulfonat [CF3SO2 "], Trifluoracetat [CF3CO3 "!, Methansulfonat [CH3SO2TI, Dicyanamid, [NCNCNη, Tricyanamid [C(CN)3 "!, Formiat, Propanoat, Butanoat, Heptafluorbutanoat,
Pentanoat, Hexanoat, Heptanoat, Octanoat, Nonanoat, Decanoat, Ethansulfonat, Propansulfonat, Butansulfonat, Pentansulfonat, Hexansulfonat, Heptansulfonat, Octansulfonat, Nonansulfonat, Decansulfonat, Acetat, Chlorid, Bromid, lodid, Nitrat, Chlorat, Perchlorat, Bromat, Perbromat, Phosphat, Borat, Sulfat, Hydrogensulfat, Alkylsulfat, Arylsulfat, Dialkylphosphat, Diarylphosphat, Alkylphosphonat,
Arylphosphonat, Alkylcarboxylat, Arylcarboxylat, Carbonat, Hydrogencarbonat, Alkylcarbonat, Arylcarbonat, Gluconat, Tartrat, Ascorbat, Lactat, Citrat, Benzoat, Salicylat etc. oder ein Derivat derselben. Von den ionischen Verbindungen sind folgende, auch in Kombination miteinander, besonders geeignet: 1-Ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfat (CAS 342573-75-5) oder 1-Butyl-3-methylimidazolium methylsulfat (CAS 401788-98-5) oder 1-Ethyl-3- methylimidazolium thiocyanat (CAS 331717-63-6) oder 1-Butyl-3-methylimidazolium thiocyanat (CAS 344790-87-0) oder Methyltributylammonium dibutylphosphat.
Einen niedrigen Dampfdruck in der Größenordnung von 10^1 bis 10~10 mbar weisen auch bestimmte molekulare Flüssigkeiten auf. Aus der Klasse dieser Flüssigkeiten eignet sich besonders ein Perfluoropolyether, ein Polyphenyl-Ether oder Polyphenyl- Thioether, Siliconöl, Mineralöl, synthetisches Öl oder ein Gemisch aus zumindest zwei dieser Substanzen.
Im Rahmen der Erfindung können auch Flüssigkeiten verwendet werden, die ein Gemisch aus zumindest einer ionischen Verbindung mit zumindest einer molekularen Flüssigkeit sind.
Die meisten im Rahmen der Erfindung zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums erwähnten und besonders geeigneten Flüssigkeiten weisen bereits günstige Schmier- Korrosions- und Dichtungseigenschaften auf. Für bestimmte Verwendungszwecke und auch beim Einsatz bestimmter Substanzen kann es jedoch von Vorteil sein, der Substanz bzw. der Flüssigkeit ionische oder molekulare Additive beizumischen, wie beispielsweise Korrosionsschutzadditive, Oxidationsschutz-Additive, Reduktionsschutz-Additive, pH-Puffersubstanzen und/oder Säurefänger, Komplexbildner, Emulgatoren, Dispergentien, Detergentien, Verschleißschutz-Additive, Extrem-Pressure-Additive, Friktionsmodifikatoren, Viskositätsmodifikatoren, Geliermittel, Dichtungsadditive, Konservierungsmittel, Pour-Point-Additive, Schauminhibitoren, Radikalfänger und Wasserregulatoren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Flüssigkeit eine Emulsion, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Flüssigkeit flüssigkristallin sein oder ein Gemisch eines mikro- bis nanokristallinen Feststoffes mit zumindest einer ionischen und / oder zumindest einer molekularen Flüssigkeit sein. In manchen ihrer Kenngrößen verhalten sich derartige Flüssigkeiten eher wie Feststoffe, was sie für ihre Verwendung zur Verdichtung von gasförmigen Medien besonders geeignet macht.
Gemäß der Erfindung vorgeschlagene Flüssigkeiten werden bevorzugt in einem Verdichter- oder Kompressorsystem zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums eingesetzt. Dabei kann die Flüssigkeit mit dem zu verdichtenden gasförmigen Medium unmittelbar die Phasengrenzfläche bilden oder es kann an der Phasengrenzfläche zu dem zu verdichtenden Gas eine Membran eingebracht sein.
Je nach ihren sonstigen Eigenschaften eignet sich die eingesetzte Flüssigkeit gleichzeitig vorteilhafter weise auch dazu, als Mittel zum Betrieb von Ventilen, von Mess-, Regel- und Steuereinheiten, von Kühlsystemen, von bewegten mechanischen Teilen oder von Dichtungen des Verdichter- oder Kompressorsystem eingesetzt zu werden.
Die eingesetzte Flüssigkeit kann ferner unter den herrschenden oder vorgesehenen Betriebsbedingungen flüssig sein, jedoch vor der Inbetriebnahme des Verdichters oder Kompressors im festen Aggregatzustand vorliegen. Auf diese Weise ist auch ein vor der Inbetriebnahme des Verdichters oder Kompressors im festen Aggregatzustand vorliegender ionischer Feststoff verwendbar.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Einige der verwendeten Begriffe sind wie folgt zu verstehen:
Ionische Flüssigkeiten: Ionische Flüssigkeiten sind - im Sinne der anerkannten Literatur (z.B. Wasserscheid, Peter; Welton, Tom (Eds.); „lonic Liquids in Synthesis", Verlag Wiley-VCH 2003; ISBN 3-527-30515-7; Rogers, Robin D.; Seddon, Kenneth R. (Eds.); „lonic Liquids - Industrial Applications to Green Chemistry", ACS Symposium Series 818, 2002; ISBN 0841237891") - flüssige organische Salze oder Salzgemische bestehend aus organischen Kationen und organischen oder anorganischen Anionen, mit Schmelzpunkten von unter 1000C. Ionische Feststoffe: Der Begriff „ionische Feststoffe" beinhaltet in dieser Anmeldung Salze im Sinne der ionischen Flüssigkeiten, mit Schmelzpunkten von 1000C und höher. Es besteht neben diesem definitionsgemäß festgelegten Schmelzpunktbereich und dem damit verbundenen Aggregatzustand kein prinzipieller chemischer oder physikalischer Unterschied zu ionischen Flüssigkeiten.
Ionische Verbindungen: Sind alle ionischen Flüssigkeiten und ionischen Feststoffe im Sinne der oben angeführten Definitionen.
Molekulare Flüssigkeiten: Sind zum Unterschied zu Ionischen Verbindungen konventionelle, auf molekularer Basis aufgebaute Flüssigkeiten; sie sind daher nicht aus Ionen aufgebaut, also keine Salze.
Ionische Verbindungen - Verbindungen, welche ionische Flüssigkeiten oder ionische Feststoffe sind - weisen äußerst interessante Eigenschaften auf, wie beispielsweise einen sehr geringen bis nahezu nicht messbaren Dampfdruck, einen sehr großen Liquidusbereich, gute elektrische Leitfähigkeit und ungewöhnliche Solvatations-Eigenschaften. Diese Eigenschaften prädestinieren sie für den Einsatz in verschiedenen Bereichen technischer Anwendungen. So können sie beispielsweise als Lösungsmittel (bei organischer und anorganischer Synthese im Allgemeinen, bei der Übergangsmetall katalyse, der Biokatalyse, der Phasentransfer-Katalyse, bei Mehrphasen-Reaktionen, in der Photochemie, in der Polymersynthese und der Nanotechnologie), als Extraktionsmittel (bei der flüssig- flüssig- und der flüssig-gasförmigen-Extraktion im Allgemeinen, der Entschwefelung von Rohöl, der Entfernung von Schwermetallen aus Abwässern, der
Flüssigmembranextraktion), als Elektrolyte (in Batterien, Brennstoffzellen, Kondensatoren, Solarzellen, Sensoren, in der Elektrochromie, der Galvanotechnik, in der elektrochemischen Metallbearbeitung, in der elektrochemischen Synthese im Allgemeinen, bei der elektroorganischen Synthese, der Nanotechnologie), als Schmierstoffe, als Thermofluide, als Gele, als Reagenzien zur organischen
Synthese, in der „Green Chemistry" (Ersatz für Volatile Organic Compounds), als Antistatika, in Spezialanwendungen der Analytik (Gaschromatographie, Massenspektroskopie, Kapillarzonenelektrophorese), als Flüssigkristalle, etc. (unvollständige Aufzählung) eingesetzt werden. Diesbezüglich wird beispielsweise auf „Rogers, Robin D.; Seddon, Kenneth R. (Eds.); lonic Liquids - Industrial Applications to Green Chemistry, ACS Symposium Series 818, 2002; ISBN 0841237891" und „Wasserscheid, Peter; Welton, Tom (Eds.); lonic Liquids in Synthesis, Verlag Wiley-VCH 2003; ISBN 3527305157" verwiesen.
Die Optimierung der Eigenschaften für die jeweilige Anwendung kann in weiten Grenzen durch eine Variation der Struktur von Anion und Kation bzw. eine Variation ihrer Kombination erfolgen, was den ionischen Flüssigkeiten die Bezeichnung „Designer Solvents" (siehe beispielsweise Freemantle, M.; Chem. Eng. News, 78, 2000, 37) eingebracht hat.
Zu den im Rahmen der Erfindung besonders geeigneten ionischen Verbindungen zählen niederschmelzende organische Salze, bestehend aus organischen Kationen und organischen oder anorganischen Anionen, der allgemeinen Formel [Q+Jn[Z0^,
wobei das betreffende Kation [Q+] ein quaterniertes oder protoniertes Ammonium- [R1R2R3R4N+], Phosphonium- [R1R2R3R4P+] oder Sulfonium- [R1R2R3S+] Kation oder ein analoger quatemierter oder protonierter Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefel-Heteroaromat (siehe Abbildung 1) ist, - wobei die Reste R1,R2,R3,R4 alle gleich, teilweise gleich oder unterschiedlich sein können. Diese Reste R1,R2,R3 und R4 können Protonen (Wasserstoffatome), lineare, cyclische, verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Alkylreste, mono- oder polycyclische aromatische oder heteroaromatische Reste oder mit weiteren funktionellen Gruppen substituierte Derivate dieser Reste sein, wobei R1,R2,R3,R4 auch untereinander verbunden sein können
(mehrbindiger Rest), wobei [ZnT ein Anion mit der negativen Ladungszahl n~ ist.
[Z"-] kann auch ein mit m Wasserstoffatomen protoniertes Anion [HmZ(rwif1)^ sein. Im Falle des Phosphats [PO4 3^ wären dies beispielsweise das Dihydrogenphosphat [H2PO4 "! und das Hydrogenphosphat [HPO4 2"!). Grundsätzlich kann [Z"^ ein Anion sein, welches mit [Q+] eine zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums geeignete ionische Verbindung bildet. Bevorzugt ist [Z"^ eines der folgenden Anionen: Tetrafluoroborat [BF4^, Hexafluorophosphat [PFfH, Bis-(trifluormethylsulfonyl)imid [(CF3SO2)2NT|, Tris- (trifluormethylsulfonyl)methid [(CF^C^C^, Trifluormethansulfonat [CF3SO2I Trifluoracetat [CF3CO3 "!, Methansulfonat [CH3SO2TI, Dicyanamid [NCNCNη, Tricyanamid [C(CN)3^, Formiat, Propanoat, Butanoat, Heptafluorbutanoat, Pentanoat, Hexanoat, Heptanoat, Octanoat, Nonanoat, Decanoat, Ethansulfonat, Propansulfonat, Butansulfonat, Pentansulfonat, Hexansulfonat, Heptansulfonat, Octansulfonat, Nonansulfonat, Decansulfonat, Acetat, Chlorid, Bromid, lodid, Nitrat, Chlorat, Perchlorat, Bromat, Perbromat, Phosphat, Borat, Sulfat, Hydrogensulfat, Alkylsulfat, Arylsulfat, Dialkylphosphat, Diarylphosphat, Alkylphosphonat, Arylphosphonat, Alkylcarboxylat, Arylcarboxylat, Carbonat, Hydrogencarbonat, Alkylcarbonat, Arylcarbonat, Gluconat, Tartrat, Ascorbat, Lactat, Citrat, Benzoat, Salicylat etc. (unvollständige Aufzählung) oder ein Derivat derselben.
Die nachstehende, oben bereits erwähnte Abbildung 1 gibt Bespiele heteroalicyclischer und heteroaromatischer Kationen [Q+], wobei es sich um eine unvollständige Aufzählung handelt:
Figure imgf000009_0001
Imidazolium Oxazolium Thiazolium Piperidinium
Pyrrolidinium Quinolinium
Abbildung 1
Anmerkung: Für die zusätzlichen Reste R5, R6, R7, R8 gilt dieselbe Definition wie für die beschriebene Definition der Reste R1, R2, R3, R4. Ionische Verbindungen eignen sich besonders gut als Medium bzw. Flüssigkeit zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere wegen ihres äußerst niedrigen bis nicht messbaren Dampfdruckes. Unter einem niedrigen Dampfdruck ist dabei ein Dampfdruck kleiner 1(T3 mbar, insbesondere kleiner 1(T6 bzw. sogar kleiner 10~9 mbar, zu verstehen. Der niedrige Dampfdruck ist dafür verantwortlich, dass ein nicht erwünschtes Verschleppen der zur Verdichtung des gasförmigen Mediums eingesetzten Flüssigkeit bzw. ionischen Verbindung durch Verdampfen wirkungsvoll verhindert wird. Der äußerst niedrige Dampfdruck geht mit einer sehr geringen Entflammbarkeit und einer geringen Kompressiblität einher. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft ionischer Verbindungen ist ihre geringe Neigung zur elektrostatischer Aufladung, wodurch auch eine potentielle Zündung brennbarer Gase vermieden wird. Eine Vielzahl von Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben eine sehr geringe Löslichkeit in vielen ionischen Verbindungen, wodurch eine etwaige Schaumbildung und Kompressionsverluste minimiert werden. Ein weiterer Vorteil ist die gute Anpassbarkeit der chemischen und physikalischen Eigenschaften ionischer Verbindungen durch entsprechende Variation der Struktur von Kationen und Anionen und deren Kombination, in der erreichbaren hohen Stabilität gegenüber thermischen Belastungen und chemischen Einflüssen. Es sind hohe Zersetzungstemperaturen erreichbar und eine gute Redox- Stabilität.
Einige ionische Flüssigkeiten zeigen flüssigkristalline Eigenschaften und verhalten sich dadurch in manchen ihrer Kenngrößen eher wie Feststoffe als wie Flüssigkeiten, was sie für eine Anwendung als „flüssige Verdichterkolben" besonders prädestiniert.
Zu den im Rahmen der Erfindung zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums besonders geeigneten ionischen Flüssigkeiten mit niedrigem Dampfdruck zählen: 1-Ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfat (CAS 342573-75-5) oder 1-Butyl-3- methylimidazolium methylsulfat (CAS 401788-98-5) oder 1-Ethyl-3- methylimidazolium thiocyanat (CAS 331717-63-6) oder 1-Butyl-3-methylimidazolium thiocyanat (CAS 344790-87-0) oder Methyltributylammonium dibutylphosphat. Auch Gemische aus zumindest zwei dieser Substanzen können vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung kommen als Alternativen zu ionischen Flüssigkeiten andere Flüssigkeiten, insbesondere molekulare Flüssigkeiten, zur Verdichtung von gasförmigen Medien in Frage, die ebenfalls einen geringen, wenn auch im Vergleich zu den meisten ionischen Verbindungen etwas höheren Dampfdruck, besitzen. Von den molekularen Flüssigkeiten sind beispielsweise besonders geeignet: Perfluoropolyether (z.B. Fombline® / Fa. Solvay Solexis Inc.) oder Polyphenyl-Ether oder Polyphenyl-Thioether (z.B. Santovac® / Fa. Monsanto Co.) oder ein Siliconöl (z.B. ein Tetramethyltetraphenyltrisiloxan AN140 / Fa. Wacker Chemie GmbH) oder ein Mineralöl (z.B. Balzers B3 / Fa. Balzers AG) oder synthetisches Öl (z.B. Alcatel 111 / Fa. Alcatel Hochvakuum Technik GmbH) oder jede andere Flüssigkeit , welche sich durch einen geringen bis sehr geringen Dampfdruck auszeichnet und welche für die erwähnte Anwendung geeignete physikalisch-chemische
Eigenschaften aufweist, wie z.B. geringe Gaslöslichkeit, thermische und chemische Stabilität, geeigneter Liquidusbereich, etc. (unvollständige Aufzählung).
Die ionischen Verbindungen und die molekularen Flüssigkeiten können zusätzlich mit ionischen und / oder molekularen Additiven versetzt sein, um weitere Anforderungen, wie beispielsweise Korrosionseigenschaften, Dichtungseigenschaften, Viskosität, tribologisches Verhalten, chemische und physikalische Stabilität, Verträglichkeit gegenüber Konstruktionsmaterialien wie z.B. Metallen und Elastomeren, zu optimieren. Es kommt insbesondere zumindest eines der folgenden Additive in Frage: Korrosionsschutzadditive, Oxidationsschutz-
Additive, Reduktionsschutz-Additive, pH-Puffersubstanzen und/oder Säurefänger, Komplexbildner, Emulgatoren, Dispergentien, Detergentien, Verschleißschutz- Additive, Extrem-Pressure-Additive, Friktionsmodifikatoren, Viskositätsmodifikatoren, Geliermittel, Dichtungsadditive, Konservierungsmittel, Pour-Point-Additive, Schauminhibitoren, Radikalfänger, Wasserregulatoren.
Erfindungsgemäß einsetzbare Flüssigkeiten können auch Gemische aus zumindest einer ionischen Verbindung mit zumindest einer molekularen Flüssigkeit sein. Dabei kann die Flüssigkeit eine Emulsion sein oder flüssigkristallin bzw. ein Gemisch eines mikro- bis nanokristallinen Feststoffes mit zumindest einer ionischen und / oder zumindest einer molekularen Flüssigkeit sein.
Die von der Erfindung erfassten Flüssigkeiten können ferner in einem Verdichter- oder Kompressorsystem neben der Verdichtung des gasförmigen Mediums auch weitere Aufgaben übernehmen: Sie können in sämtlichen, dem Verdichtersystem zugehörigen Bauteilgruppen und Bauteilen, wie z.B. Ventilen, Meß-, Regel- und Steuereinheiten, Kühlsystemen, bewegten mechanischen Teilen wie z.B. Lagern und Dichtsystemen (unvollständige Aufzählung) gleichzeitig als Betriebsmittel eingesetzt werden.
Darüber hinaus können bestimmte im Rahmen der Erfindung einsetzbare Flüssigkeiten im zu verdichtenden Gas gegebenenfalls vorhandene feste, flüssige oder gasförmige Verunreinigungen, wie beispielsweise Wasser, Sauerstoff, Lösungsmittelreste, entfernen.
Die in einem Verdichter- oder Kompressorsystem verwendete erfindungsgemäße Flüssigkeit kann dabei mit dem zu verdichtenden gasförmigen Medium unmittelbar die Phasengrenzfläche bilden, alternativ dazu kann an der Phasengrenzfläche zu dem zu verdichtenden Gas eine Membran eingebracht sein.
Vor dem Einsatz als Verdichtungsmittel kann die ionische Verbindung auch ein ionischer Feststoff sein, welcher bei typischem Temperaturbereich der Verwendung dann flüssig ist.

Claims

PA 7985PATENTANSPRÜCHE
1. Flüssigkeit zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums, welche die zur Verdichtung notwendige Kraft direkt auf das Gas überträgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sie einen Dampfdruck kleiner 10~3 mbar aufweist.
2. Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen
Dampfdruck kleiner 1(T6 mbar, insbesondere kleiner 10~9 mbar, aufweist.
3. Flüssigkeit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Temperatur- und Druckbereich des Verdichtungsvorganges thermisch stabil ist.
4. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie keine bzw. nur eine geringe Löslichkeit für das zu verdichtende Gas aufweist.
5. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine ionische Verbindung oder ein Gemisch mehrerer ionischer Verbindungen der allgemeinen Formel [Q+Jn[Z""] ist,
- wobei das betreffende Kation [Q+] ein quatemiertes oder protoniertes Ammonium- [R1R2R3R4N+], Phosphonium- [R1R2R3R4P+] oder Sulfonium-
[R1R2R3S+] Kation oder ein analoger quatemierter oder protonierter Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefel-Heteroaromat ist,
- wobei die Reste R1,R2,R3,R4 alle gleich, zum Teil gleich oder unterschiedlich sind, - wobei die Reste R1, R2, R3 und R4 Protonen (Wasserstoffatome), lineare, cyclische, verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Alkylreste, mono- oder polycyclische aromatische oder heteroaromatische Reste oder mit weiteren funktionellen Gruppen substituierte Derivate dieser Reste sind, - wobei R1,R2,R3,R4 auch untereinander verbunden sein können (mehrbindiger
Rest),
- wobei [Z"~\ ein Anion mit der negativen Ladungszahl n~ ist oder auch
- ein mit m Wasserstoffatomen protoniertes Anion [HmZ(rwT1)^ ist.
6. Flüssigkeit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass [Z"~] ein Anion ist, welches mit [Q+] eine zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums geeignete ionische Verbindung bildet.
7. Flüssigkeit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass [Z"~\ eines der folgenden Anionen ist: Tetrafluoroborat [BF4^, Hexafluorophosphat
[PFeH, Bis-(trifluormethylsulfonyl)imid [(CF3SO2)2NT|, Tris- (trifluormethylsulfonyl)methid [(CF3SO2)3C~1, Trifluormethansulfonat [CF3SO2I Trifluoracetat [CF3CO3 "!, Methansulfonat [CH3SO2^, Dicyanamid [NCNCNη, Tricyanamid [C(CN)3^, Formiat, Propanoat, Butanoat, Heptafluorbutanoat, Pentanoat, Hexanoat, Heptanoat, Octanoat, Nonanoat, Decanoat,
Ethansulfonat, Propansulfonat, Butansulfonat, Pentansulfonat, Hexansulfonat, Heptansulfonat, Octansulfonat, Nonansulfonat, Decansulfonat, Acetat, Chlorid, Bromid, lodid, Nitrat, Chlorat, Perchlorat, Bromat, Perbromat, Phosphat, Borat, Sulfat, Hydrogensulfat, Alkylsulfat, Arylsulfat, Dialkylphosphat, Diarylphosphat, Alkylphosphonat, Arylphosphonat, Alkylcarboxylat, Arylcarboxylat, Carbonat,
Hydrogencarbonat, Alkylcarbonat, Arylcarbonat, Gluconat, Tartrat, Ascorbat, Lactat, Citrat, Benzoat, Salicylat etc. oder ein Derivat derselben.
8. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um 1-Ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfat (CAS 342573-75-5) oder 1-
Butyl-3-methylimidazolium methylsulfat (CAS 401788-98-5) oder 1 -Ethyl-3- methylimidazolium thiocyanat (CAS 331717-63-6) oder 1-Butyl-3- methylimidazolium thiocyanat (CAS 344790-87-0) oder Methyltributylammonium dibutylphosphat oder um ein Gemisch aus zumindest zwei dieser Substanzen handelt.
9. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine molekulare Flüssigkeit ist.
10. Flüssigkeit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Perfluoropolyether, ein Polyphenyl-Ether oder Polyphenyl-Thioether, ein Siliconöl, ein Mineralöl, ein synthetisches Öl oder ein Gemisch aus zumindest zwei dieser Substanzen ist.
11. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gemisch zumindest einer ionischen Verbindung mit zumindest einer molekularen Flüssigkeit ist.
12. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest ein ionisches oder molekulares Additiv enthält, wie z.B. Korrosionsschutzadditive, Oxidationsschutz-Additive, Reduktionsschutz- Additive, pH-Puffersubstanzen und/oder Säurefänger, Komplexbildner, Emulgatoren, Dispergentien, Detergentien, Verschleißschutz-Additive, Extrem-
Pressure-Additive, Friktionsmodifikatoren, Viskositätsmodifikatoren, Geliermittel, Dichtungsadditive, Konservierungsmittel, Pour-Point-Additive, Schauminhibitoren, Radikalfänger, Wasserregulatoren.
13. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Emulsion ist.
14. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie flüssigkristallin ist oder ein Gemisch eines mikro- bis na no kristallinen Feststoffes mit zumindest einer ionischen und / oder zumindest einer molekularen Flüssigkeit ist.
15. Verwendung der Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Verdichter- oder Kompressorsystem zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums.
16. Verwendung der Flüssigkeit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit dem zu verdichtenden gasförmigen Medium unmittelbar die Phasengrenzfläche bildet.
17. Verwendung der Flüssigkeit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an ihrer Phasengrenzfläche zum zu verdichtenden Gas eine Membran eingebracht ist.
18. Verwendung der Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich als Mittel zum Betrieb von Ventilen, von Mess-, Regel- und Steuereinheiten, von Kühlsystemen, von bewegten mechanischen Teilen oder von Dichtungen des Verdichter- oder Kompressorsystem eingesetzt wird.
19. Verwendung der Flüssigkeit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie unter Betriebsbedingungen flüssig ist und vor Inbetriebnahme des Verdichters oder Kompressors im festen Aggregatzustand vorliegt.
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